(57)【要約】【課題】歪みと非点収差を最小限にするように形状設定された光学的要素を備えたヘッドマウント表示システムを提供する。【解決手段】ヘッドマウント表示システム（１０）は単一の光学的要素（２８）を備えて図示されている。単一の光学的要素は３つの光学的表面を備えている。入り口面（Ｓ１）はビデオ画像を直接ディスプレイ（２６）から受信する。反射面（Ｓ２）はビデオ画像を入り口面から出口面（Ｓ３）に反射し、ユーザはビデオ画像を出口面を介して直接見る。３つの光学的表面は、拡大され、ユーザから或る距離で現れ、かつ歪みと非点収差と色収差が実質的に無い、仮想画像を生成するように形状設定されている。光学的要素は、異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために、かつユーザと仮想画像の間の見掛けの距離を調節するために、ヘッドアップ表示システムのフレーム（１２）上に調整自在に取り付けられている。【選択図】図１
2007094422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示システムをユーザの頭に取り付けるための支持要素と、
画像を表示するために支持要素上に取り付けられたディスプレイと、
画像を前記ディスプレイから受信する入り口面と、ユーザがそれを介して画像を直接見る出口面と、前記画像を前記入り口面から前記出口面に反射する反射面と、を含む少なくとも３つの表面を備えた光学的要素であって、前記光学的要素の３つの表面は、拡大され、かつディスプレイと反射面とユーザの目によって形成される通路より実質的に長いユーザからの距離の位置に現れる前記表示された画像の仮想画像を生成するように形状設定された前記光学的要素と、を具備するヘッドマウント表示システム。
【請求項２】
前記入り口面、反射面および出口面の各々は前記表示される画像の全体的な倍率に影響するように湾曲されている、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項３】
前記反射面と出口面は球面であり、前記入り口面は円筒状である、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項４】
前記反射面は平らであり、前記出口面は球面である、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項５】
前記入り口面は球面である、請求項４に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項６】
前記仮想画像が現れるユーザからの距離を調節する手段をさらに含む、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項７】
前記距離調節手段は、前記入り口面と前記ディスプレイの間の距離を増減するために前記光学的要素を調整自在に取り付けるための手段を含む、請求項６に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項８】
前記光学的要素は、単一ブロックの材料から形成され、前記３つの表面は一対の側面間で前記のブロック上に形成され、前記側面の各々は前記出口面と一般的に平行に延びる列に並べられた複数の口径部を含み、１つの側面の各々の口径部は一対の口径部を形成するために他の側面に付随する口径部を具備しかつ前記光学的要素を前記支持要素に取り付ける部材を含み、前記取付部材はそこから延びる一対の突出部を前記入り口面と前記ディスプレイの間の距離が前記取付部材突出部によって噛み合された一対の口径部を調節することによって調節できるように前記一対の口径部の１つと噛み合うために備えている、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項９】
前記支持要素は、透明物体を含んでおり、前記光学的要素取付部材は前記透明物体に取り付けられている、請求項８に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項１０】
前記透明物体は、一般的に水平に延びるスロットを含んでおり、前記取付部材は、前記ミラーの位置が異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために移動できる前記スロットに沿う運動のために前記スロットと噛み合っている、請求項９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項１１】
異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために、前記光学的要素を前記支持要素に調整自在に取り付ける手段をさらに含む、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項１２】
前記入り口面は環状である、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項１３】
前記光学的要素は固体ブロック材料から形成されている、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項１４】
前記固体ブロックの材料はＰＭＭＡである、請求項１３に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項１５】
前記光学的要素はアクロマートを形成するために少なくとも２つの異なる材料の固体要素である、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項１６】
前記光学的要素は、出口面と入り口面の少なくとも１つが、反射面が形成されている第２の材料と異なる第１の材料から形成されるように、少なくとも２つの異なる材料の固体要素である、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項１７】
前記第１と第２の材料は前記固体要素を形成するために互いに接着されている、請求項５に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項１８】
前記光学的要素は中空である、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項１９】
前記光学的要素は、前記入り口面が形成されている入り口レンズと、前記出口面が形成されている出口レンズと、前記反射面が形成されている反射器と、前記入り口面レンズと出口レンズと反射器が中空の光学的要素を形成するために各々取り付けられている取付部材を含んでいる、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項２０】
表示システムをユーザのヘッド上に取り付けるための支持要素と、
画像を表示するために支持要素上に取り付けられたディスプレイと、
画像をディスプレイから受信する円筒状の入り口面と、ユーザがそれを介して画像を直接見る球面の出口面と、前記画像を前記入り口面から前記出口面に反射する球面の反射面を含めた少なくとも３つの表面を備えた固体ブロックの光学的要素であって、前記光学的要素の３つの表面は、拡大され、かつディスプレイと反射面とユーザの目によって形成される通路より実質的に長いユーザからの距離の位置に現れる、前記表示された画像の仮想画像を生成するように形状設定された固体ブロックの光学的要素を具備する、ヘッドマウント表示システム。
【請求項２１】
前記仮想画像がユーザから現れる距離を調節する手段を更に含んでいる、請求項２０に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項２２】
前記距離調節手段は、前記入り口面と前記ディスプレイの間の距離を増減するために前記光学的要素を調整自在に取り付ける手段を含む、請求項２１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項２３】
前記光学的要素は単一ブロックの材料から形成され、前記３つの表面は一対の側面間で前記ブロック上に形成され、前記側面の各々は前記出口面と一般的に平行に延びる列に並べられた複数の口径部を含み、１つの側面の口径部の各々は一対の口径部を形成するために他の側面に付随する口径部を具備しかつ前記光学的要素を前記支持要素に取り付ける部材を含み、前記取付部材はそこから延びる一対の突出部を前記入り口面と前記ディスプレイの間の距離が前記取付部材突出部によって噛み合された一対の口径部を調節することによって調節できるように前記一対の前記口径部の１つと噛み合うために備えている、請求項２０に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項２４】
前記支持要素は透明物体を含み、前記光学的要素取付部材は前記透明物体に取り付けられている、請求項２３に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項２５】
前記透明物体は一般的に水平に延びるスロットを含み、前記取付部材は前記ミラーの位置が異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために移動できる前記スロットに沿う運動のために前記スロットと噛み合っている、請求項２４に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項２６】
異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために、前記光学的要素を前記支持要素に調整自在に取り付ける手段をさらに含む、請求項２０に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項２７】
前記光学的要素はアクロマートを形成するために少なくとも２つの異なる材料の固体要素である、請求項２０に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項２８】
前記光学的要素は、出口面と入り口面の少なくとも１つが反射面が形成されている第２の材料と異なる第１の材料から形成されるように、少なくとも２つの異なる材料の固体要素である、請求項２０に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項２９】
表示システムをユーザのヘッド上に取り付けるための支持要素と、
画像を表示するために支持要素上に取り付けられたディスプレイと、
画像をディスプレイから受信する円筒状の入り口面と、ユーザがそれを介して画像を直接見る球面の出口面と、前記画像を前記入り口面から前記出口面に反射する平らな反射面を含めた少なくとも３つの表面を備えた固体ブロックの光学的要素であって、前記光学的要素の３つの表面は、拡大され、かつディスプレイと反射面とユーザの目によって形成される通路より実質的に長いユーザからの距離の位置に現れる、前記表示された画像の仮想画像を生成するように形状設定された、前記固体ブロックの光学的要素を具備する、ヘッドマウント表示システム。
【請求項３０】
前記入り口面は球面である、請求項２９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項３１】
前記入り口面は環状である、請求項２９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項３２】
前記仮想画像が現れるユーザからの距離を調節する手段をさらに含む、請求項２９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項３３】
前記距離調節手段は、前記入り口面と前記ディスプレイとの間の距離を増減するために前記光学的要素を調整自在に取り付ける手段を含んでいる、請求項３２に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項３４】
前記光学的要素は、単一ブロックの材料から形成され、前記３つの表面は一対の側面間で前記ブロック上に形成され、前記側面の各々は前記出口面と一般的に平行に延びる列に並べられた複数の口径部を含み、１つの側面の口径部の各々は一対の口径部を形成するために他の側面に付随する口径部を具備しかつ前記光学的要素を前記支持要素に取り付ける部材を含み、前記取付部材はそこから延長するペアの突出部を前記入り口面と前記ディスプレイとの間の距離が前記取付部材突出部によって噛み合された一対の口径部を調節することによって調節できるように前記一対の前記口径部の１つと噛み合うために備えている、請求項２９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項３５】
前記支持要素は、透明物体を含み前記光学的要素取付部材は前記透明物体に取り付けられている、請求項３４に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項３６】
前記透明物体は、一般的に水平に延びるスロットを含み、前記取付部材は前記ミラーの位置が異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために移動できる前記スロットに沿う運動のために前記スロットと噛み合っている、請求項３５に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項３７】
異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために、前記光学的要素を前記支持要素に調整自在に取り付ける手段をさらに含む、請求項２９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項３８】
前記光学的要素はアクロマートを形成するために少なくとも２つの異なる材料の固体要素である、請求項２９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項３９】
前記光学的要素は、出口面と入り口面の少なくとも１つが、反射面が形成されている第２の材料と異なる第１の材料から形成されるように、少なくとも２つの異なる材料の固体要素である、請求項２９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項４０】
表示システムをユーザのヘッド上に取り付けるための支持要素と、
画像を表示するために支持要素上に取り付けられたディスプレイと、
画像をディスプレイから受信する入り口面と、ユーザがそれを介して画像を直接見る球面の出口面と、前記画像を前記入り口面から前記出口面に反射する平らな反射面を含めた少なくとも３つの表面を備えた中空の光学的要素であって、前記光学的要素の３つの表面は、拡大され、かつディスプレイと反射面とユーザの目によって形成される通路より実質的に長いユーザからの距離の位置に現れる前記表示された画像の仮想画像を生成するように形状設定されている前記中空の光学的要素を具備する、ヘッドマウント表示システム。
【請求項４１】
前記仮想画像が現れるユーザからの距離を調節する手段をさらに含んでいる、請求項４０に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項４２】
前記距離調節手段は、前記入り口面と前記ディスプレイの間の距離を増減するために前記の光学的要素を調整自在に取り付ける手段を含む、請求項４１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項４３】
前記入り口面は円筒状である、請求項４０に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項４４】
前記入り口面は環状である、請求項４３に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項４５】
前記透明物体は、一般的に水平に延びるスロットを含んでいて、前記取付部材は前記ミラーの位置が異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために移動できる前記スロットに沿う運動のために前記スロットと噛み合っている、請求項４４に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項４６】
異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために、前記光学的要素を前記支持要素に調整自在に取り付ける手段を＊らに含んでいる、請求項４０に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項４７】
前記光学的要素は、前記入り口面が形成されている入り口レンズと、前記出口面が形成されている出口レンズと、前記反射面が形成されている反射板と、前記入り口レンズと出口レンズと反射板が中空の光学的要素を形成するために各々取り付けられている取付部材を含んでいる、請求項４０に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項４８】
表示システムをユーザのヘッド上に取り付けるための支持要素と、
画像を表示するために支持要素上に取り付けられたディスプレイと、
画像をディスプレイから受信する入り口面と、ユーザがそれを介して画像を直接見る球面の出口面と、前記画像を前記入り口面から前記出口面に反射する平らな反射面を含めた少なくとも３つの表面を備えた中空の光学的要素であって、前記光学的要素の３つの表面は、拡大され、かつディスプレイと反射面とユーザの目によって形成される通路より実質的に長いユーザからの距離の位置に現れる、前記表示された画像の仮想画像を生成するように形状設定されていて、そこでは認識可能な歪みが１％未満である、前記中空の光学的要素を具備する、ヘッドマウント表示システム。
【請求項４９】
前記入り口面は球面である、請求項４８に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項５０】
前記入り口面は平らである、請求項４８に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項５１】
前記仮想画像が現れるユーザからの距離を調節する手段をさらに含んでいる、請求項４８に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項５２】
前記距離調節手段は、前記入り口面と前記ディスプレイの間の距離を増減するために前記光学的要素を調整自在に取り付ける手段を含んでいる、請求項５１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項５３】
前記入り口面は環状である、請求項４８に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項５４】
異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために、前記光学的要素を前記支持要素に調整自在に取り付ける手段をさらに含んでいる、請求項４８に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項５５】
前記支持要素は、一般的に水平に延びるスロットを具備する透明物体を含んでいて、前記取付部材は前記ミラーの位置が異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために移動できる前記スロットに沿う運動のために前記スロットと噛み合っている、請求項５４に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項５６】
前記入り口面は環状である、請求項４８に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項５７】
表示システムをユーザのヘッド上に取り付けるための支持要素と、
ビデオ画像を表示するために支持要素上に取り付けられたビデオ・ディスプレイと、
ビデオ画像を前記ディスプレイから受信する入り口面と、ユーザがビデオ画像をそこを介して直接見る出口面と、前記ビデオ画像を前記入り口面から前記出口面に反射する反射面を含めた少なくとも３つの表面を備えた光学的要素と、
前記ディスプレイと入り口面の間の距離がユーザによって調節されることを可能にするために、調整自在に前記光学的要素を前記支持要素に取り付ける手段を具備する、ヘッドマウント表示システム。
【請求項５８】
表示システムをユーザのヘッド上に取り付けるための支持要素と、
ビデオ画像を表示するために支持要素上に取り付けられたビデオ・ディスプレイと、
ビデオ画像を前記ディスプレイから受信する入り口面と、ユーザがビデオ画像をそこを介して直接見る出口面と、前記ビデオ画像を前記入り口面から前記出口面に反射する反射面を含めた少なくとも３つの表面を備えた光学的要素と、
前記光学的要素が異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために一般的に水平に移動されることを可能にするために、調整自在に前記光学的要素を前記支持要素に取り付ける手段を具備する、ヘッドマウント表示システム。
【請求項５９】
表示システムをユーザのヘッド上に取り付けるための支持要素と、
ビデオ画像を表示するために支持要素上に取り付けられた・ビデオディスプレイと、
ビデオ画像をディスプレイから受信する入り口面と、ユーザがビデオ画像をそこを介して直接見る出口面と、前記ビデオ画像を前記入り口面から前記出口面に反射する球面の反射面を含めた少なくとも３つの表面を備えた固体の光学的要素であって、前記光学的要素は少なくとも第１の材料と第２の材料から形成され少なくとも１つの前記表面は前記第１の材料上に形成されかつ別の前記表面は前記第２の材料上に形成されそこでは前記第１と第２の材料はアクロマートを形成する前記固体の光学的要素を具備する、前記ヘッドマウント表示システム。
【請求項６０】
前記入り口面と反射面は前記第１の材料上に形成され、前記出口面は前記第２の材料上に形成されている、請求項５９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項６１】
前記第１の材料はポリスチレンであり、前記第２の材料はＰＭＭＡである、請求項５９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項６２】
前記入り口面と出口面は前記第１の材料上に形成され、前記反射面は前記の第２表面上に形成されている、請求項５９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項６３】
前記第１の材料はＰＭＭＡであり、前記第２の材料はポリスチレンである、請求項６２に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項６４】
表示システムをユーザのヘッド上に取り付けるための支持要素と、
画像を表示するために支持要素上に取り付けられたディスプレイと、
画像を前記のディスプレイから受信する入り口面と、ユーザが画像をそこを介して直接見る出口面と、前記画像を前記入り口面から前記出口面に反射する反射面を含めた少なくとも３つの表面を備えた光学的要素であって、前記光学的要素の３つの表面は、拡大され、かつディスプレイと反射面とユーザの目によって形成される通路より実質的に長いユーザからの距離の位置に現れる、前記表示された画像の仮想画像を生成するように形状設定されていて、そこでは正常眼の網膜の画像が５８ミクロン未満である正規化された長手方向の軸の色収差を備えている、前記光学的要素を具備するヘッドマウント表示システム。
【請求項６５】
前記収差は２９ミクロン未満である、請求項６４に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項６６】
表示システムをユーザのヘッド上に取り付けるための支持要素と、
画像を表示するために支持要素上に取り付けられたディスプレイと、
画像を前記のディスプレイから受信する入り口面と、ユーザが画像をそこを介して直接見る出口面と、前記画像を前記入り口面から前記出口面に反射する反射面を含めた少なくとも３つの表面を備えた光学的要素であって、前記光学的要素の３つの表面は拡大されかつディスプレイと反射面とユーザの目によって形成される通路より実質的に長いユーザからの距離の位置に現れる前記表示された画像の仮想画像を生成するように形状設定されていて、そこでは正常眼の網膜の画像が２８ミクロン未満である横方向の軸の色収差を備えている前記の光学的要素を具備する、ヘッドマウント表示システム。
【請求項６７】
前記収差は１４ミクロン未満である、請求項６６に記載のヘッドマウント表示システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は 1992 年12月 4日に出願された、アメリカ特許出願番号 07/985,876 に関する。
【０００２】
技術的な分野
本発明は、ヘッドマウント表示システム、特に、ビデオ情報をディスプレイから受信する入り口面と、出口面であって、ユーザがビデオ画像を出口面を介して直接見る前述の出口面と、ビデオ画像を入り口面から出口面に反射する反射面を具備するシステムに使用する光学的要素に向けられている。光学的要素の入り口面と反射面と出口面は、拡大され、見掛けの位置、即ちユーザからの距離をもち、かつ歪みと非点収差と色収差が実質的に無い、表示されるビデオ画像の仮想画像を生成するように形状設定されている。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
周知のヘッドマウントまたはヘッドアップ表示システムは軍事用に一般的に用いられる。例えば、ヘッドアップ・ディスプレイは、画像をパイロットの直接的な視野方向に無限の状態で投影して、パイロットが軍事行為を行う際の支援をするために、パイロットが着用するヘルメットに取り付けられる。このようなシステムはパイロットのヘルメットに取り付けられた陰極線管、即ち CRTを含んでいて、その場合CRT は飛行機に固定して取り付けられたビデオ・ディスプレイ生成装置に結合された重いケーブルを介してビデオ情報を受信している。これらのシステムは、かさ張って大型で重いので、一般消費者の応用には適していない。さらに、周知のヘッドマウント表示システムは、ディスプレイのような構成部品と互いに固定された関係で取り付けられた数多くの光学的要素を普通使用している。このようなシステムは狭い範囲の大きさの頭しか普通は対象にできない。異なる大きさの頭を取り込むために種々の固定された構造を具備するヘッドマウント表示システムを製作すると非常に高価になる。しかし、システムが広範囲の大きさの頭を対象にできないと、システムは、消費者の頭の大きさは大幅に異なっているので、消費者の使用に適しないことになる。更に、これらのシステムに用いられる大多数の光学的要素は、任意の固定された構造のコストを上昇させる。
【０００４】
アメリカ特許番号 5,162,828 に図示される或る周知の表示システムは、単一のミラーだけ含んでいる光学的システムを備えている。ミラーは情報をディスプレイから直接受信し、そこでは、ミラーは、ディスプレイとミラーとユーザの目の間の実際の光学的通路より長いユーザからの見掛けの距離で拡大された画像を投影するように、環状または放物線またはゼルニケ多角形の反射面を具備するように形状設定されている。この光学的システムは、単一の光学的要素であるミラーを用いているので廉価になる。さらに、ミラーは、数多くの応用事例に適した高品質の仮想画像を提供する。しかし、ミラーは単一の光学的表面しか含んでいないので、歪みと非点収差を最小限にするような表面の形状を設定することが難しい。
【発明の開示】
【０００５】
発明の要約
本発明に従って、周知のヘッドアップ表示システムの欠点が解決できる。本発明のヘッドマウント表示システムは複数の光学的表面を具備する光学的要素を含んでいる。光学的表面は表示されたビデオ画像の仮想画像を与えるように形状設定されていて、そこでは、仮想画像は、拡大され、見掛けの位置、即ちディスプレイと光学的要素とユーザの目の間の実際の通路の長さより実質的に長いユーザからの距離をもち、かつ歪みと非点収差と色収差は実質的に無い。従って、本発明のヘッドアップ表示システムは、映画とテキストを含めたビデオ情報を高い分解能と総合的品質を備えて表示するのに適している。
【０００６】
特に、光学的要素は、ビデオ画像をディスプレイから受信する入り口面と、ユーザがビデオ画像をそこから直接見る出口面と、ビデオ画像を入り口面から出口面に反射する反射面を含んでいる。これらの表面は、拡大された仮想画像をユーザからある距離で与え、かつ、色収差を最小限にしながら、単一の環状ミラーと比べる時に、歪みと非点収差を実質的に減少するように形状設定されている。
【０００７】
本発明のある実施例によれば、入り口面と反射面と出口面の各々は、表示されるビデオ画像の倍率に影響するように湾曲されている。別の実施例では入り口面と出口面だけ湾曲され、さらに別の実施例では出口面だけ湾曲されている。
【０００８】
光学的要素は固体ブロックのある材料として形成されている。光学的要素は、色消しレンズを形成する２つ以上の材料から構成された固体ブロックとしても形成されている。代わりに、光学的要素は中空または空気で充填されていてもよい。中空の光学的要素は、入り口レンズと反射器と出口レンズが単一の一体化光学的要素を形成するように接着された取付部材を含んでいる。
【０００９】
ユーザが自分と仮想画像の間の距離が変化していることを認識するように、仮想画像の位置を調節するために、調整自在の取付方式が光学的要素に与えられているので、ユーザは光学的要素の入り口面とディスプレイの間の距離を増減できる。
【００１０】
光学的要素は一般的に水平方向にも移動できるので、光学的要素は異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にできる。
【００１１】
本発明のこれらおよび他の目的と長所と新規な特徴だけでなく、その図示される実施例の詳細は、次に示す説明と図面からさらに十分に理解できると思われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
好ましい実施例の説明
本発明のヘッドマウント表示システム１０は、図１に図示されるように、一般的に１２の参照数字が付記されたフレームを含んでいる。フレーム１２は、レンズまたは透明物体１４とレンズ・ホルダ１６と左右のテンプル２０、２１と鼻部ピース２４を含んでいる。フレーム１２は、ディフーザを具備する場合と具備しない場合がある小型液晶ビデオ・ディスプレイから形成されるディスプレイ２６、回折格子、フィルタ、またはレンズを支える。ディスプレイは、０．６インチ×０．９インチ程度のように特に小型であるが、テレビ画像またはコンピュータ生成画像のような高分解能のビデオ画像も生成できる。ディスプレイ２６上に表示される情報が１つの光学的要素２８によって反射されるようにディスプレイ２６はレンズ・ホルダ１６の口径部８４上に取り付けられている。光学的要素は、３つの個別の表面、すなわち、ビデオ情報をディスプレイ２６から受信する入り口面Ｓ１と、ユーザがビデオ画像を直接見る出口面Ｓ３と、ビデオ画像を入り口面から出口面に反射する反射面Ｓ２を備えている。要素２８の光学的表面Ｓ１、Ｓ２およびＳ３は、表示される情報の拡大された仮想画像を、見掛けの位置、即ちディスプレイ２６と反射面１Ｓ２とユーザの目の間の実際の距離より実質的に長いユーザからの距離に生成するように形状設定されている。例えば、光学的要素２８は、対角線に沿うサイズがユーザからの見掛けの距離が２フィートである１０インチと見掛けの距離が１５フィートである８０インチの範囲にある、仮想画像を生成する。しかし、光学的要素は、次に詳細に論じられるように、高い品質と分解能の仮想画像を与えるために、歪みと非点収差と色収差を最小限にするように形状設定されている。
【００１３】
ヘッドマウント表示システム１０は、システム１０の種々の構成要素がヘッドマウント表示システムの種々のユーザだけでなく種々の応用事例を対象にできるように分解または交換または調整あるいはその全てが実施できるようにモジュラー化されている。例えば、光学的要素２８は、ディスプレイ２６と光学的要素２８とユーザの目によって形成される光学的通路が、要素２８が回転する軸または回転の軸になる第１軸に相応して調整されるように、支持要素３０に回転自在に取り付けられている。支持要素３０、即ち光学的要素２８は、異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象とするために、鼻部ピース２４に向かってあるいは鼻部ピース２４から遠ざかる方向に一般的に水平方向にも移動できる。光学的要素２８は一般的に垂直方向に支持要素３０上に調整自在に取付可能なので、ユーザは光学的要素２８の入り口面とディスプレイ２６との間の距離を調整することによってユーザからの仮想画像の見掛けの距離を増減できる。この離隔距離調整は、眼鏡またはコンタクト・レンズを普通着用するユーザが、自分の眼鏡またはコンタクト・レンズを着用しない時に、光学的システムを調節して自分の個人的な調節力に対応できるようにする。従って、このようなユーザは、自分の眼鏡またはコンタクト・レンズを着用しない時でも画像を見れるようにシステムを調整できる。
【００１４】
鼻部ピース２４は、レンズ・ホルダ１６の底面３２とユーザの鼻の間の距離が、第２の一般的に垂直の軸に相応して、ディスプレイ２６と光学的要素２８とユーザの目の相対的な位置に依って形成される光学的通路を調整するために変更できるように、レンズ・ホルダ１６に相応して可動自在に取り付けられている。さらに鼻部ピース２４はフレーム１２から完全に取り外すことができるので、ヘッドマウント表示システム１０はユーザが着用する通常の眼鏡によって着用される場合がある。特に、眼鏡を着用する人によって着用される時に、レンズ・ホルダ１６は眼鏡のフレーム上に静止しているので、眼鏡の鼻部ピースは、鼻部ピース２４が取り外されていなかった場合と同じ一般的な位置にある。従って、それは鼻部ピース２４が取り外される時にユーザのフレーム１２を支える通常の鼻部ピースになる。
【００１５】
支持要素３０は、光学的システムが交換できるようにレンズ１４から取り外すことができる。さらに、支持要素３０はレンズ１４に取り外し自在に組み込まれているので、レンズ１４は支持要素３０と光学的要素２８を交換する必要なしに交換できる。特に、レンズ１４はそこから取り外せるようにレンズ・ホルダ１６の凹み部に取り外し自在に取り付けられている。この特長は、種々の光伝搬または光学的特性をもつレンズまたは透明物体がレンズ・ホルダ１６に取り付けられて、１つの光学的要素２８と支持要素３０と共に使用できるようにする。例えば、屋内使用の場合に透明なレンズが望まれるが、屋外使用の場合には淡彩レンズが好まれる。代わりに、暗いレンズを使用すると、ユーザにより明るい表示の認識、即ち、表示照明レベルとユーザの外部視野との整合または表示光学素子をユーザの主要でない目と共用する機能を提供する。レンズ１４と支持要素３０は取り外しできるので、ヘッドマウント表示システム１０を融通性があり種々の応用事例に適用できるように、異なるレンズが同一のレンズ・ホルダ１６、支持要素３０および光学的要素２８に対して使用されうる。
【００１６】
テンプル２０と２１の各々は、それらがユーザのヘッドに抱き込まれるように、テンプルを内側に向かわせる力をテンプル２０、２１に与えるヒンジ３４、３５を含んでいる。ヒンジが自在に取り外しできるので、種々の柔軟性をもつヒンジがシステム１０に用いられ、システムは頭の大きさが大きく異なるユーザによって快適に着用できる。さらに、システム１０は１つまたは複数のイヤホーン３８、３９を含んでいる。イアホーン３８、３９の各々は、次に説明されるように、レンズ・ホルダ１６の底面に配置された各々の電気ジャックに勘合する電気コネクタとワイヤ４０、４１を介してレンズ・ホルダ１６とトップ・カバ１８によって形成される凹み部の内部に構成される回路に接続されている。ワイヤ４０、４１はヒンジ３４、３５と一体化して形成されるフックに依ってテンプル２０、２１に隣接して保持される。ワイヤー４０、４１はヒンジ３４、３５のフックから取り外しできて、イヤホーン・コネクタはレンズ・ホルダ１６のジャックから取り外しできるので、イヤホーン３８、３９は表示システム１０10から取り外して交換できる。さらに、イヤホーン保持器３６、３７は各々テンプル２０、２１より外し自在に取り付けられているので、それらもシステム１０から取り外せる。取り外し自在のイヤホーン保持器とイヤホーンは、システム１０のイヤホーン・ジャックに接続できる別のイヤホーンをユーザが使用することを可能にする。
【００１７】
トップ・カバ１８とレンズ・ホルダ１６が図３〜６に詳細に図示されている。トップ・カバ１８は三日月のような形状の最上部の輪郭と一般的に平らな最上面４０を備えている。軽いハウジング・エクステンション４６はディスプレイ２６を取り込むために最上面４４に形成されている。トップ・カバの内面４８は、次に詳細に説明されるように、凹み部５０に支えられる鼻部ピース部材２３１の外面がトップ・カバーの内面４８と揃うように、鼻部ピース２４の上側に延長する部材２３１を支える長方形の凹み部５０を備えて形成されている。一般的に弓形の開口部５２は、トップ・カバ１８とレンズ・ホルダ１６によって形成されるハウジングに具備される回路とディスプレイ２６に携帯式接続ユニットからビデオとオーディオと電源を結合するシングル・ワイヤの末端に支えられた電気コネクタと噛み合う電気コネクタを取り込むためにトップ・カバ１８の末端５４に形成されている。トップ・カバ１８とレンズ・ホルダ１６だけでなく携帯式接続ユニットから形成されるハウジングに具備された回路は、本発明の譲受人に譲渡された、携帯式ビデオ表示システムという名称で1992年11月 6日に出願されたアメリカ特許出願番号 07/793,155 と、本発明の譲受人に譲渡された、携帯式ビデオ接続ユニットを具備するヘッドマウントビデオ表示システムという名称で1992年12月 4日に出願されたアメリカ特許出願番号 07/986,422 に詳細に開示されている。これらの出願の各々はここで引例によって包合されている。
【００１８】
凹み部５６は、輝度制御ノブまたは表示システムのための他の制御入力を取り込むようにトップ・カバ１８の外部側壁５８にも形成されている。しかし、必要に応じて輝度制御入力は携帯式接続ユニットにも配置できる。トップ・カバ１８は４つの対称に配置されたフックを含んでいて、そのうち３つ６０、６１および６２だけがトップ・カバ１８をレンズ・ホルダ１６に固定するために図示されている。フック６０、６１は、フック６０、６１の外面６６がトップ・カバの表面４８と揃うように、トップ・カバ１８の内部側壁６４から下向きに延長している。フック６０、６１および６２の各々は、トップ・カバ１８の凹み部７０に向けて延長する突出部６８を備えて形成されている。トップ・カバの外部側壁７２上に対称に配置された２つのフック６２は、フック７４の下端が側壁７２の下端と揃うように構成されている。
【００１９】
レンズ・ホルダ１６は一般的に三日月の形状をしているので、レンズ・ホルダ１６の外壁はトップ・カバ１８の外壁と一致する。レンズ・ホルダ１６は、その最上面８０上でディスプレイ２６と（図示されていない）下部と上部のプリント基板を支える。特に、最上面８０は、ディスプレイ２６を取り付けるために一般的に方形または長方形の形状で其こに僅かの凹み部８２を具備して形成されている。凹み部はディスプレイ２６の顔部に配置された中心に位置する一般的に長方形の口径部８４を具備して形成されているので、表示される情報はミラー２８によって受信できる。８６、８７および８８のような数多くの短いリブは、下部プリント基板を支えるようにレンズ・ホルダ１６の最上面８０から上向きに延長している。下部プリント基板は、下部プリント基板がレンズ・ホルダ１６に取り付けられる時に、ボス９０が通る少なくとも１つの穴部を含んでいる。ボス９０と第２のボス９１とペアとなる大きなリブ９２と９４は、上部プリント基板を支えるようにレンズ・ホルダ１６の最上面８０の周囲に対称に配置されている。上部プリント基板は、各々のボス９０、９１の直径より細い直径であるが、各々のボス９０、９１から上向きに延長するピン９５、９６をそこで十分に受ける大きさをもつ、ペアの穴部を含んでいる。上部プリント基板がレンズ・ホルダ１６に取り付けられる時に、基板はリブ９２、９４だけでなく、各々のボス９０、９１の上面にも静止し、そこでピン９５、９６は上部プリント基板の穴部を越えて延びている。
【００２０】
レンズ・ホルダ１６は、トップ・カバ１８がレンズ・ホルダ１６に取り付けられる時に切り欠き１００がトップ・カバ１８の凹み部５０と並ぶように、その内壁１０２に形成された切り欠き１００を含んでいる。トップ・カバ１８がレンズ・ホルダ１６に取り付けられる時に、切り欠き１００は、鼻部ピース２４のフランジ２４６が鼻部ピース２４をフレーム１２に取り付けるように延長する口径部を形成する。弓形の上面を具備する、ペアの上向きに延長するリブ１０４および１０６は、トップ・カバ１８がレンズ・ホルダ１６に取り付けられる時にトップ・カバ１８に形成される弓形の開口部５２と並ぶように、レンズ・ホルダ１６の末端１０８に構成されている。リブ１０４、１０６は、ビデオ、オーディオおよび電源を携帯式接続ユニットからディスプレイ２６および下部、上部プリント基板に伝送する１本のワイヤの末端に結合されたコネクタと嵌合する電気コネクタを支える。
【００２１】
図４、５に詳細に図示されるように、レンズ・ホルダ１６は一般的に平らな底面１１０を具備し、長手方向に延長する凹み部１１２がそこに形成されている。凹み部１１２は、鼻部ピース２４が表示システム１０から外される時に、ペアの通常の眼鏡のフレームの上端を受けるようにレンズ・ホルダの前部の長手方向に実質的に延長している。特に、表示システム１０がペアの眼鏡を着用するユーザによって着用される時に、凹み部１１２の表面１１６は眼鏡のフレームの上端に静止しているので、表示システム１０は眼鏡フレームによって特に眼鏡の鼻部ピースによって支えられる。凹み部１１２はレンズ・ホルダ１６の底面１１０に位置しているので、ペアの眼鏡上に支えられる時に、眼鏡の鼻部ピースは鼻部ピース２４がフレーム１２から外されない時と実質的に同じ位置にある。凹み部１１２はレンズ・ホルダ１６の外部側壁１１４を延長して図示されているが、そこまで延長する必要がなく、凹み部１１２の少なくとも一部が、レンズ・ホルダ１６の内壁１１８および内部側壁１０２のすくなくとも一方とディスプレイ２６の口径部８４の間に位置する、ペアの眼鏡のフレームの上端を十分に受けるように延長すればよいことが注目される。
【００２２】
中空のボックス形状の部材１２０は、レンズ・ホルダ１６の底面１１０の中心位置、特に次に詳細に説明されるように、鼻部ピース２４の部材２４４を受けるようにホルダ１６の外部側壁１１４に隣接する凹み部１１２に形成されている。特に、ボックス部材１２０はペアの側壁１２４、１２５の間に形成された口径部１２２を含んでいて、そこでは口径部１２２が切り欠き１００と並んでいる。鼻部ピース２４がフレーム１２に取り付けられる時に、鼻部ピース２４の１つのフランジ２４４は口径部１２２を介してボックス部材１２０に延長するが、第２フランジ２４６は切り欠き１００によって形成される口径部を介してトップ・カバ１８とレンズ・ホルダ１６によって形成された凹み部またはハウジングに延長して、取り外し自在に鼻部ピース２４をフレーム１２に取り付ける。
【００２３】
ペアのイヤホーン・ジャック取付部材１３０、１３１はレンズ・ホルダ１６の各々末端１０８、１３２に隣接するレンズ・カバ１１６の底面１１０に一体化して形成される。イヤホーン・ジャック取付部材１３０、１３２はレンズ・ホルダ１６の底面１１０から下向きに延長し、かつ、各々の部材１３０、１３１はイヤホーン・コネクタが部材１３０、１３１に取り付けられているジャックと接続するためにそこを介して挿入されるように各々口径部１３４、１３６を含んでいる。レンズ・ホルダ１６の末端１０８、１３２は、次に詳細に説明されるように、ヒンジ３４、３５の各々のＴ字形末端を受けて移動自在に取り付けるように各々Ｔ字形口径部１３８、１４０をそこに具備して形成されている。
【００２４】
レンズ・ホルダ１６の外部側壁１１４は、外壁１１４の内面１４４と内壁１４６との間で外部側壁１１４の長手方向を実質的に延長する長手方向に延長する凹み部１４２を具備して形成され、そこでは凹み部１４２はフレーム１２のレンズまたは透明物体１４を受けている。５つのリブは、レンズ１４をフレーム１２の規定位置に維持するために、レンズ１４に形成されたフックと嵌合するように、外壁１１４と内壁１４６の間に形成された凹み部１４２に対称に配置されている。
【００２５】
特に、図７に図示されるレンズ１４は、レンズ１４中に５つのフック部材１６６〜１７０をレンズ１４中に形成するために、その上端１６０に隣接する５つのＬ字形窪み部１６１〜１６５を含んでいる。フック部材１６６〜１７０は、レンズ１４の上端１６０に沿って対称に配置され、かつリブの上面と噛み合ってレンズ１４をレンズ・ホルダ１６に取り付けるように、リブ１５０、１５１、１５２、１５６、１５８の離隔条件に従って離隔されている。レンズ１４のフック部材１６６〜１７０は同方向に全て延長しているので、レンズは凹み部１４２のレンズ１４を左側に滑動するか、またはレンズ１４を逆にして凹み部１４２のレンズを右側に滑動すると、レンズ・ホルダ１６に取り付けることができる。レンズ１４のフック１６６〜１７０とレンズ・ホルダ１６のリブ１５０、１５１、１５２、１５６、１５８は対称なので、レンズ１４は表示システムの右側または左側に一般的に参照数字１８０が付記されたミラー取付面を具備して取り付けられることが注目される。レンズ取付面１８０は、そこにミラー支持要素３０の各々の側壁を受けるペアの上向きに延長するスロット１８２と１８４とを含んでいる。さらに、レンズ１４のミラー取付面１８０は上向きに延長するスロット１８２と１８４の間を水平に延長するスロット１８６を含んでいる。水平に延長するスロット１８６は、ミラー支持要素３０を確実にレンズ１４上に保持するために、次に詳細に説明されるように、ミラー支持要素３０上に形成された突出部を受ける。
【００２６】
レンズ１４は変形自在または湾曲自在の軽量のプラスチック材料などから製作できるので、レンズは凹み部１４２に取り付けられる時に、図１に図示されるように、凹み部の弓形の形状と一致することが注目される。さらに、レンズ１４は、例えば、少し近くに見えるあるいは遠くに見える人を取り込むために異なるジオプタを具備して形成できる。レンズ１４は図７で１つのレンズとして図示されているが、レンズ１４は２つのレンズに分割され、必要に応じて１つは表示システムの右側をカバーし、他の１つは表示システムの左側をカバーする。レンズ１４は、例えば、屋外使用に対して淡彩にもできるし、屋内使用に対して透明にもできる。レンズはレンズ・ホルダ１６上に取り外し自在に取り付けられているので、レンズ１４は、表示システム１０の特定の応用事例に相応して容易に変更できる。
【００２７】
本発明のある実施例に従う光学的要素２８は、図８Ａに図示されるようにビデオ画像を直接ディスプレイ２６から受信する入り口面Ｓ１を含んでいる。反射面Ｓ２はビデオ画像を光学的要素２８の入り口面Ｓ１から出口面Ｓ３に反射する。反射面Ｓ２は、全体的な内部反射によってあるいは反射コーティングを面に塗布して反射する。ユーザがビデオ画像を出口面Ｓ３を介して直接見れるように、光学的要素２８がヘッドマウント表示システム１０上に適正に位置する時に、出口面Ｓ３はユーザの目と直面している。
【００２８】
好ましい実施例においては、反射面Ｓ２は光学的要素２８の全体的な倍率に影響するように湾曲されている。与えられた湾曲半径に対して、約４倍の倍率が屈折面Ｓ１およびＳ３何れかの湾曲から得られるように反射面Ｓ２の湾曲から得られる。従って、僅かな湾曲を反射面Ｓ２に加えることによって、屈折面Ｓ１およびＳ３の各々の湾曲、すなわち、各々の影響を受ける倍率は大幅に低減される。さらに、屈折面Ｓ１およびＳ３の倍率を減少することによって、光学的要素２８の色収差も減少される。反射面Ｓ２は、例えば、湾曲半径が約 252 mm の凹形球面になる。
【００２９】
反射面Ｓ２が湾曲面として形成される時に、非点収差が誘導される。この非点収差を補正するために、入り口面Ｓ１は、反射面Ｓ２によって誘導される非点収差を解消する非点収差を誘導するように円筒状に加工されている。円筒の入り口面Ｓ１は、凸形で、約 62 mmの湾曲半径を備えている。図１３に図示されるように、表面Ｓ１を具備する仮の円筒の軸はライン３１０と一般的に平行に伸び、湾曲の半径はその軸から表面Ｓ１に延長している。
【００３０】
光学的要素の出口面Ｓ３は、視界、即ち、与えられた焦点距離で光学的要素２８から投影された仮想画像のサイズを基本的に制御するように形成されている。出口面Ｓ３は、ユーザを基準にした仮想画像の位置も制御する。好ましい実施例では、出口面Ｓ３は、湾曲半径が 54.6 mmの凸形球面になる。
【００３１】
図１３は、Stellar Software製のソフトウェア・パッケージ“ビーム４光線追跡”と、John Wiley and Sons, Incによって発表された Donald C. O'shea “最近の光学的デザイン”という論文に記載されている技術を用いて生成された光学的要素２８の光跡を示している。この光跡は、表面Ｓ１、Ｓ２およびＳ３の各々の構成をさらに完全に説明する際に役立つ。前述のように、入り口面Ｓ１は、湾曲半径が 62 mmの円筒面である。入り口面Ｓ１の頂点３１２のＸ、ＹおよびＺ軸の座標はＸ＝０、Ｙ＝０およびＺ＝34.167 mm である。入り口面Ｓ１は−７°のピッチなので、頂点３１２を通る、図１３のライン３１０は、Ｘ軸と平行でかつ頂点３１２を通るラインから時計方向で７°になる。入り口面Ｓ１をディスプレイ２６の位置から見る時に、表面Ｓ１は約13 mm の高さで 25.4 mmの幅となる。
【００３２】
反射面Ｓ２は、前述のように、湾曲半径が 252 mm の球面になる。反射面Ｓ２の頂点３１４のＸ、Ｙ、Ｚ軸の座標はＸ＝０、Ｙ＝０およびＺ＝41.167 mm になる。反射面Ｓ２のピッチは 37.9523゜なので、頂点３１４を通る表面Ｓ２のライン３１６は、Ｘ軸と平行しかつ頂点３１４も通るラインから反時計方向で 37.9523゜になる。ディスプレイ26の背面に向けて反射面Ｓ２の背面を見ると、反射面Ｓ２は 25.4 mmの幅で 16.8 mmの高さになる。
【００３３】
球面の出口面Ｓ３は、前述のように、54.6 mm の湾曲半径を備えている。出口面Ｓ３の頂点３１８のＸ、Ｙ、Ｚ軸の座標はＸ＝ -7.727 mm、Ｙ＝ 0、Ｚ=39.096 mmである。出口面Ｓ３のピッチは 83.5 なので、頂点３１８を通るＳ３のライン３２０は、Ｘ軸と平行しかつ頂点３１８も通るラインから反時計方向で約 83.5 ゜になる。表面Ｓ１に向けて見ると、ちょうど光学的要素２８がヘッドマウント表示システム１０に取り付けられているように、表面Ｓ３は約 25.4 mmの幅で 13.4 mmの高さになる。図１３の場合、ディスプレイ２６は、図示されるＸ軸を基準にして反時計方向に７゜傾いている。７５゜の視角は、図１３に図示される光学的システムによって与えられる。視角は、Ｘ軸上の０から表面Ｓ２の頂点３１４に向けて延長するラインと、頂点３１４から角膜の頂点に向けて延長する第２ラインの間の角度を表している。
【００３４】
ヘッドアップ表示システム１０に対して図８Ａに図示される光学的要素２８は、映画のようなビデオ画像を見る際に、ユーザが認識する歪みと非点収差と色収差を基本的に解消する。特に、要素２８によって生成された正常眼の網膜上の画像の正規化された長手方向の縦の色収差ＬCHは、58ミクロン未満、好ましくは２９ミクロン未満になる。ＬCHは色収差の深さと見なされる。要素２８によって生成された正常眼の網膜上の画像の横方向の軸の色収差ＴC は、２８ミクロン未満、好ましくは１４ミクロン未満になる。ＴC は色収差の高さと見なされる。システムのＦナンバ、即ち、有効焦点距離と制限口径部（このケースではユーザの瞳孔）の半径の２倍との比率は F =６．８〜１３である。Ｚ−Ｘ面の光学的要素によって生成される正常眼の網膜上の画像の歪みは -0.053 であり、Ｚ−Ｙ面で +0.04であるが、ここでＸ、Ｙ、Ｚ面は図１３の光跡に図示されていないが、Ｚ軸は図１３でＸとラベル表示された軸と一般的に平行しかつＹ軸は図１３でＺとラベル表示された軸と一般的に平行するように、代表的な光学的基準に準じて定められている。Ｚ−Ｘ面の歪みは表面Ｓ１を円筒面と逆の環状に構成すると、Ｚ−Ｙ面の歪みとほぼ等しくなり１％未満になる。さらに、表面Ｓ１を環状面に構成すると、Ｘ−Ｙ面の画像の湾曲部は、Ｚ−Ｘ面の湾曲部とほぼ等しくなり、各々半径は無限大に近づく。
【００３５】
図８Ａに図示されかつ説明されている光学的要素２８は、ユーザから約１０フィートの位置に約４８インチの幅と３２インチの高さで現れる仮想画像を生成する。ユーザから与えられた距離に於ける仮想画像は、さらなる倍率を、光学的要素の３つの表面Ｓ１、Ｓ２およびＳ３の中の１つまたは複数に加えることによって増加できるが、色収差は表面の倍率で増加する結果になることが注目される。好ましい実施例では、光学的要素２８は、低い色分散をもつアクリルＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリラーテ）のような材料の固体ブロックから形成される。光学的要素２８は、表面Ｓ１、Ｓ２およびＳ３に所望の湾曲を与えるように機械加工できる。光学的要素２８は射出成形によって形成することもできる。ノブ２０８は、次に説明されるように、要素２８が支持要素３０に取り付けられるように光学的要素２８の各々側面２１０から延長している。
【００３６】
図８Ａの光学的要素２８の支持要素３０が図８Ｂ〜１０に詳細に図示されている。本実施例の支持要素は、ペアの側壁１９２と１９４の間で支持要素３０を横断して延びる前壁１９０を含んでいる。後壁１９６も側壁１９２と１９４との間を延びている。後壁１９６は凹み部１９８をその間に形成するために前壁から離隔されているので、レンズ１４のミラー支持取付部１８０は凹み部１９８で受けることができる。図１０に図示されるように、前壁１９０は、前壁の後面から後壁１９６に向けて延びる長手方向延長突出部またはフックを含んでいる。支持要素３０がレンズ１４に取り付けられている時に、図７に図示されるように、側壁１９２と１９４とはレンズ１４のスロット１８２と１８４とに各々支えられ、突出部２００は取り外し自在に支持要素３０をレンズ１４に取り付けるようにレンズのスロット１８６に支えられている。
【００３７】
支持要素３０は、前壁１９０から遠ざかる方向で後壁１９６の対向側面から延びるペアのアーム２０２と２０４とをも含んでいる。アーム２０２、２０４の各々は、取り外し自在に光学的要素２８を支持要素３０に取り付けるように、光学的要素の対向する側面２１０上で各々のノブ２０８を受ける口径部２０６を含んでいる。このように光学的要素２８を支持要素３０に取り付けると、光学的要素２８がノブ２０８の中心を一般的に通る軸周囲で回転することを可能にするので、ユーザは、ディスプレイ２６と光学的要素２８とユーザの目から形成される光学的通路を調整できることが注目される。支持要素３０が取り外し自在に組み込まれているレンズ１４は湾曲しているので、支持要素３０は、アーム２０２が後壁１９６からユーザの目に向けて内側に、アーム２０４より長い距離で、延びるような調節可能な断面を備えた形状をしている。従って、光学的要素２８が各々のアーム２０２と２０４の口径部２０６に取り付けられている時に、光学的要素２８は、図１０の点線２０６によって図示される位置にあり、そこでは、ノブ２０８の中心間を延びる要素２８の軸は、支持要素３０の後壁１９６と平行しないが、それに対してある角度になっている。しかし、この取付方式は、見ることを容易とするために、光学的要素２８の軸２１２をユーザの顔と一般的に平行にする。支持要素３０はレンズ１４から取り外せるので、レンズ１４は表示システム１０が光学的要素２８と支持要素３０の交換を必要とせずに用いられる種々の環境を対象とするように変更できる。
【００３８】
光学的要素２８の第２実施例では、光学的要素２８の対向する側面２１０から延長する取付ノブ２０８は、図８Ａに図示されるように取り外せる。この代替実施例に於いて、図１４に図示されるように、光学的要素２８は、その側面３４０の各々で、側壁３４０と接触する出口面Ｓ３の末端と一般的に平行に延びる一列中に並んでいる複数の微細な口径部または止め金３４２を含んでいる。光学的要素２８の１つの側壁３４０の各々の口径部は、口径部のペア３４１のように同じ水平面になる複数の口径部を形成するために、光学的要素２８の対向する側壁に、付随する口径部を備えている。
【００３９】
図１４に図示される光学的要素の支持要素３０は、図１５〜１７に図示されるようにして変更される。変更された支持要素３０は、アーム２０２、２０４に口径部２０６を含んでいないが、固体アーム３４６と３４８を含んでいる。アーム３４６と３４８との各々は、各々のアーム３４６、３４８から光学的要素２８に向けて内側に延びる小さな円錐状の突出部３５０および３５２を含んでいる。図１４の変更された光学的要素２８は、突出部３５０、３５２をペアの水平に並ぶ口径部３４２に挿入することによって、図１５〜１７の変更された支持要素３０に取り付けられる。図１４にさらに図示されるように、変更された光学的要素２８には、そこにプラスチック・フィンガー・タブ３４４が、光学的要素２８から下向きに延長するように取り付けられている。変更された光学的要素２８を具備するヘッドマウント表示システム１０がユーザによって着用されている時に、ユーザは、突出部３５０、３５２が異なるペアの水平方向に並ぶ口径部３４２と噛み合うように、フィンガー・タブ３４４上で押し下げるかあるいは押し上げることによって、入り口面Ｓ１とディスプレイ２６の間の距離を調整できる。変更された光学的要素２８の口径部３４２は、入り口面Ｓ１とディスプレイ２６の間の距離を５ mm の範囲を越えて調整可能にする。この焦点距離調整は、仮想画像の位置を、２フィートから４０フィートの範囲でユーザからの仮想画像の見掛けの距離によって調節されることを可能にする。焦点距離、すなわち、Ｓ３から画像の視位置までの距離は約 50 mmを保つが、光学的要素はディスプレイに向けて垂直に移動されると、ユーザの目は近くへの移動に伴って画像を認識するように調整することが注目される。これは、光学的要素２８とディスプレイの間の距離が変わると、出力光線角度、すなわち、Ｓ３を出る光線の角度も変わるので、ディスプレイと光学的要素２８とユーザの目のレンズを含めたシステム全体の焦点距離も変わるためである。変更された光学的要素２８がユーザからの仮想画像の見掛けの距離を変えるためにディスプレイ２６に向けてあるいはそこから遠ざかるように移動されると、仮想画像サイズはユーザからの仮想画像の見掛けの距離の増減に伴って増減することは、さらに注目される。
【００４０】
口径部３４２は、図示される光学的要素２８に、またはフィンガー・タブ３４４の部分に形成できる。後者の場合、タブ３４４の上部側壁３４５は、図１４に図示される口径部の位置を通り過ぎるように拡大される。この変更は、フィンガー・タブ側壁３４５に形成される口径部を、図１４に図示されるように、出口面Ｓ３から同じ距離に位置させる。さらに、個々の口径部３４２の代わりに、長手方向の溝は、口径部３４２に対して図示されるように、出口面から同じ距離で光学的要素またはフィンガー・タブ側壁に形成できる。この長手方向の溝は、与えられた範囲内で無限の垂直調整を可能にする。この実施例では、図１６の変更された支持要素３０の突出部３５０と３５２は楔形状になることが望ましい。支持要素３０の楔形状の突出部とアーム３４８と３５０は、要素２８を支持要素３０の位置に保持するように光学的要素にスプリング力を与えるが、それらは光学的要素を前述のようにユーザが仮想画像を見る位置を調節するためにディスプレイ２６に近づくかあるいはさらに遠ざかるように移動させる。
【００４１】
図１５〜１７に図示される変更された支持要素３０は、ユーザが変更された支持要素３０と光学的要素２８を鼻部ピース２４に向けてあるいは遠ざかって水平に移動できるようにするために、図１８に図示されるように、変更されたレンズ１４に取り付けられる。この水平運動は、ヘッドマウント表示システム１０が、非常に異なる瞳孔間距離を有するユーザを取り込むことを可能にする。特に、変更されたレンズ１４は水平に延長するスロットまたは窪み部３６０を含んでいる。長手方向、すなわち、水平に延長する突出部３６１は、変更された支持要素３０の前壁３６３の背面３６５から延びている。この突出部は、変更されたレンズのスロットまたは窪み部３６０に向けて延びているので、図１６〜１７の支持要素３０を鼻部ピース２４に向けてあるいは遠ざかってスロット３６０に沿って案内できる。変更された支持要素３０が図１８のレンズ１４に関して滑動されると、レンズ底部３６７は、変更された支持要素３０のアーム３４６、３４８の各々のスロット３６９を通る。
【００４２】
光学的要素２８は、光線の束の直径がユーザの瞳孔の直径より太くなるようにして、仮想画像を表す光線の束で目を満たすので、種々のユーザ間の瞳孔間距離の違いを補正するための光学的要素２８に対する微細な水平調整が行われる必要がないことが注目される。変更されたレンズ４０のスロット３６０から与えられる瞳孔間距離の違いの調整は、ヘッドマウント表示システム１０が、瞳孔間距離に大きな違いをもつ人達も対象にできるようにする、総合調整機能を提供する。
【００４３】
図８Ａと図１４に図示される光学的要素２８はＰＭＭＡのような単一材料から製作されている。しかし、光学的要素２８は、色消し性の光学的要素を与えるために２つ以上の異なる材料から製作されるように変更できる。特に、図１９に図示されるように、出口面Ｓ３は、ＰＭＭＡの場合のように、例えば 1.49 の低い屈折率と、61.93 のＡＢＢＥ値を有する材料の薄い正のレンズ３７０上に形成されている。光学的要素の残りの部分３７２は、ポリスチレンの場合のように、例えば 1.585の高い屈折率と３１．０のＡＢＢＥ値とを有する材料から形成されている。光学的要素の部分３７２に適した他の材料は、ポリカーボネートとメソ・メタクリラーテ・スチレン・コポラマを含んでいる。表面Ｓ１、Ｓ２およびＳ３の倍率の適正な比率と各々構成要素の厚みだけでなく各々構成要素の届折率を選択することによって、光学的要素２８は、最小限度の色収差に関与する色の二重要因に相応して形成できる。同様に、図２０に図示されるように、入り口と出口の表面Ｓ１およびＳ３は、共に、ＰＡＡＭＡから製作された各々の薄い正のレンズ３８０と３８１で形成される。レンズ３８０、３８１は、光学的要素２８を最小限度の色収差で形成するために、ポリスチレンの負のレンズ３８２に接着される。代わりに、レンズ３８０、３８１および３８２は、クック３枚玉を形成するために、３つの異なる材料から製作できる。
【００４４】
図２１および２２は本発明に従う光学的要素２８の別の実施例を示す。この実施例では、光学的要素２８は中空であり、要素は空気充填凹み部４００を備えている。図２１〜２２に図示される光学的要素２８は２つの部分４０２と４１４から形成されている。一般的に４０２と参照数字が付記されている第１の部分は、光学的要素２８の入り口面Ｓ１が形成される薄いレンズ部４０４を含んでいる。この部分４０２は、出口面Ｓ３が形成される第２レンズ部４０６も含んでいる。光学的要素の部分４０２は、レンズ部４０４、４０６と一体化して形成されたペアの側壁４０８と４１０も含んでいる。図２２に図示されるように、棚部４１２は、反射面Ｓ２を形成するミラー４１４に適した取付面を与えるように部分４０２の背面に形成されている。レンズ部４０４、４０６の壁は非常に薄いので、部分４０２は噴射成形技術によって容易に形成できる。図２１に図示される光学的要素２８は、入り口レンズ部４０４と出口レンズ部４０６がアクロマートを形成するために２つの異なる材料から製作されるように構成されている。さらに、個々のレンズ部４０４、４０６の片方または両方は、個々のレンズ部４０４、４０６がアクロマートになるように、２つの異なる材料から形成されうる。
【００４５】
図１９〜２３に図示される光学的要素の表面Ｓ１、Ｓ２およびＳ３は、前述のように、入り口面Ｓ１が円筒または環状の表面になりかつ反射面Ｓ２と出口面Ｓ３は球面になるように形成できることが注目される。反射面Ｓ２は平らに製作され、屈折面Ｓ１およびＳ３は球面で製作されて、高められた倍率が平らに製作される表面Ｓ２に起因する倍率の損失を補正するようにしてもよい。さらに別の実施例では、入り口面Ｓ１だけでなく反射面Ｓ２も平らに製作され、そこでは出口面Ｓ３が光学的要素の唯一の湾曲面になる。
【００４６】
図２３〜２７は、本発明に従う中空の光学的要素２８のさらに別の実施例を示す。この中空の光学的要素２８は、入り口面Ｓ１が形成される出口のレンズ４５２または４５６を含んでいる。図２３に図示される光学的要素２８は、出口面Ｓ３が形成される出口レンズ４５４または４５８も含んでいる。入口レンズ４５２、４５６；出口のレンズ４５４、４５８および反射板４５３は、単一の統合光学的要素２８を形成するように取付物体４６０に固定されて支えられる。
【００４７】
図２６、２７にさらに詳細に図示されるように、取付物体４６０はペアの側壁４６４、４６５を具備する前部４６１を含んでいて、そこでは底壁４６８が側壁間に延びている。側壁４６４、４６５は一般的に３角形でありかつ光学的要素２８の側面全体を横断して延びているが、底壁４６８は比較的小さいので、それは出口レンズ４５４、４５８が位置しかつ反射板４５３の底部４７０が位置するスロット４６３に適したベースを単純に形成できることが注目される。特に、出口レンズのスロット４６３がペアのＵ字形の外部と内部のリブ４６０と４６２との間に形成されている。Ｕ字形の内部リブ４６２の最上面４６６は外部リブ４６０の高さを越えないので、棚部４６６が内部リブ４６２に形成される。棚部４６６は物体４６０に取り付けられる時に出口レンズ４５２、４５６の周囲を支える。ミラー４５３が取り付けられている物体４６０の部分４８０は（物体４６０の前部４６１と同様に）Ｕ字形であり、内部と外部のリブ４８２と４８４とがそこに形成されている。物体４６０の部分４８０は、反射面Ｓ２と出口面Ｓ３の間の角度を固定するように光学的要素２８の前部４６１に関して予め設定された角度にある。反射板取付部４８０のリブ４８２、４８４はスロット４８６をその間に与えるように離隔されていて、そこでは、リブ４８２、４８４は反射板４５３の３つの周辺と噛み合っている。入り口のレンズが物体４６０のスロット４６３に挿入された後に、かつ反射器４５３が物体４６０のスロット４８６に挿入された後に、入り口のレンズは棚部４６６に置かれ、そこでは、棚部４６６は光学的要素の前部からその背面に側壁４６４、４６５の各々の上で延びている。代わりに、部分的な棚部支持要素だけが備えられてもよい。
【００４８】
図２４に図示されるように、反射板４５３は平らな反射器であることが望ましく、そこでは入口レンズ４５２と出口レンズ４５４の両方は球面レンズなどを形成するように湾曲しているので、各々が光学的要素２８の倍率に関与する。図２５に図示される代替実施例では、入口レンズ４５６は平らなピースのガラスから製作され、出口レンズは光学的要素２８の倍率の全てを含むように湾曲されている。側壁４６４の各々に図８Ｂの支持要素３０に取り付けるためのノブ４６５が装着できることもさらに注目される。口径部３４２は側壁４６４に装着することもできるので、図２３の要素は図１５〜１７に図示される変更された支持要素３０に取り付けられる。
【００４９】
図２８〜３０に図示されるように、鼻部ピース２４は、ユーザが通常のペアの眼鏡を着用しない時に、表示システム１０をユーザの鼻の上で支えるために、比較的柔らかで柔軟性に富んでいる材料から製作された鼻部ブリッジ２２０を含んでいる。鼻部ピース２４は鼻部ブリッジ２２０のベース２２６から上向きに延びるフランジ２２４を含んでいて、フランジ２２４は比較的堅いプラスチックから製作されていることが望ましい。その前面のフランジ２２４は数多くの突出部２２７〜２２９を含んでいるので、鼻部ピース２４は鼻部ピース・ホルダー２３０に調整自在に取り付けることができる。特に、鼻部ピース・ホルダ２３０は、フランジ２２４を受けるために、上向きに延びる一般的に長方形の中空の部材２３１を含んでいる。鼻部ブリッジ・ホルダー部材２３１は、鼻部ピース２４が十分に引き込まれた位置にある時に、フランジ２２４上で各々垂直に並べられた突出部２２７、２２８および２２９を受けるように、垂直に並べられた口径部２３２、２３３および２３４を含んでいる。鼻部ブリッジ２２０とレンズ・ホルダ１６の間の距離を長くするために、フランジ２２４は鼻部ブリッジ・ホルダの部材２３１において下向きに移動されるので、突出部２２７、２２８は口径部２３３、２３４を通る。鼻部ブリッジ２２０とレンズ・ホルダ１６の間の距離をさらに長くするために、フランジ２２４は突出部２２７が口径部２３４で受けられるように下向きに移動される。この位置で、鼻部ブリッジ２２０はレンズ・ホルダ１６からその最長の距離にある。この鼻部ブリッジ２２０のための調整自在の取付は、ディスプレイ２６を支えるレンズ・ホルダ１６とユーザの鼻との間の距離が、口径部２３２〜２３４によって形成される一般的に垂直の軸に相応して調整されるユーザの目と光学的要素２８とディスプレイ２６の相対位置によって形成される光学的通路を調整するように調節されることを可能にする。従って、この特徴は表示システム１０が異なる頭の大きさと頭の形をもつユーザを容易に取り込むことを可能にするので、表示システム１０は容易に着用できて、表示された情報の画像は光学的要素２８を介して容易に見ることができる。鼻部ブリッジ２２０は鼻部ブリッジ・ホルダ２３０から完全に自在に取り外せる場合もあるし不可能な場合もあることが注目される。
【００５０】
図２８、２９に図示されるように、鼻部ブリッジ・ホルダ２３０は上向きに延びる部材２３１から一般的に直角の角度で延長するベース部材２４０を含んでいて、ベース部材２４０は口径部２４２を備えているので、鼻部ブリッジのフランジ２２４がそこで受けられかつ上向きに部材２３１に延長される。ベース２４０は、そこから外側に延長するフランジ２４４をさらに含んでいる。鼻部ブリッジ・ホルダ２３０の直立部材２３１は、直立部材２３１から一般的に直角の角度にかつベース２４０のフランジ２４４と一般的に平行に延長するフランジ２４６も含んでいる。鼻部ブリッジ・ホルダ２３０と鼻部ブリッジ２２０を順にフレーム１２に取り付けるために、鼻部ブリッジ・ホルダ２３０のベース２４０のフランジ２４４がレンズ・ホルダの底面１１６に形成された口径部１２２に挿入されている。同時に、鼻部ブリッジ・ホルダ２３０の直立部材２３１から延長するフランジ２４６はレンズ・ホルダの窪み部１００とトップ・カバ１８の長方形凹み部５０によって形成される口径部に挿入されているので、フランジ２４６は、レンズ・ホルダ１６とトップ・カバ１８によって形成されるハウジングに延びている。確実に鼻部ピース２４を規定条件で保持するために、ベース部材２４０はボックス１２０の口径部１２２を形成する壁と噛み合うためにリップまたはフック部２５０を具備して形成されている。従って、鼻部ピース２４は表示システム１０のフレーム１２上で取り外し自在に取り付けられる。鼻部ピース２４は、前述のように、表示システム１６がペアの通常の眼鏡を用いて着用できるように容易に取り外しができる。
【００５１】
テンプル２０、２１のヒンジ３４、３５に適したヒンジの例が図３１に図示される。ヒンジ３４、３５は、ヒンジがレンズ・ホルダ１６に取り付けられている時に、ユーザのヘッドに向けて内側に湾曲する細長いボディを備えている。ボディ２５０は、取り外し自在にヒンジをレンズ・ホルダ１６に取り付けるためにＴ字形の口径部１３８と１４０とで受けることができる一般的にＴ字形の取付部材２５２を含んでいる。ヒンジ３４、３５のボディ２５０は、部材２５２の対向する末端で、ヒンジ３４、３５をテンプル・バーの残りの部分に固定するように、テンプル２０、２１の口径部２７２で受ける、Ｔ字形の取付部材２５４をさらに備えている。ヒンジ・ボディ２５０は数多くの外側に延長するリブ２５６〜２６１も含んでいる。交互するリブ２５６、２５８および２６０は、各々リブ・ボディから延びる、ペアの一般的に平行に延長するリブ・フィンガ２６２と２６４とを含んでいるので、イヤホーン３８、３９のワイヤ４０、４１をそこに保持するために口径部２６６をフィンガ２６２と２６４との間に形成できる。交互するリブ２５７、２５９および２６１は、そこから延びる単一のリブ・フィンガ２６８だけを、ワイヤ４０、４１を保持するためでなく案内するために備えている。リブ２５６、２５８および２６０の各々のリブ・フィンガ２６２、２６４は柔軟性に富んでいるので、イヤホーンのワイヤ４０、４１は容易にそこに挿入されかつそこから取り外されることができる。
【００５２】
テンプル２０、２１のテンプル・バー２７０が図３４〜３６に図示されている。テンプル・バー２７０はその末端２７４に形成された口径部２７２を含んでいるので、ヒンジ３４、３５の一般的にＴ字形の末端２５４を受けて、テンプル２７０をヒンジ３４、３５上に取り付けることができる。テンプル・バー２７０は、テンプル・バーの上面に形成された長手方向に延長する溝部２７６を含んでいるので、リング・イヤホーン保持器３６、３７の取付部材２７８を案内できる。テンプル・バー２７０はテンプルの底面２８０に沿って長手方向に延長する（図示されていない）第２の溝部も含んでいることが望ましいので、リング保持器３６、３７の部分２８２、２８３をそこに受けることができる。溝部２７６はリング保持器３６、３７をテンプル・バー２７０の長手方向に沿って案内するので、テンプル・バー２７０に沿うリング保持器３６、３７の位置が調整できる。さらに、リング・イヤホーン保持器３６、３７の取付部材２７８、２８２および２８３は、保持器がテンプル・バー２７０に取り外し自在に取り付けられることを可能にする。表示システム１０のユーザがイアホーン３８、３９と異なるスピーカまたはイヤホーンの使用を希望する場合、イヤホーン３８、３９は前述のように取り外しができる。同様に、イヤホーン・リング保持器３６、３７は、テンプル・バー２７０から外して、それらを表示システム１０から取り外すことができる。表示システム１０に使用できる他のイヤホーンまたはブームは、テンプル・バー２７０の溝部２７６で受けることができる取付部材を好都合に備えているので、イアホーンやスピーカーまたはブームをシステム１０のフレーム１２に取り付けることができる。
【００５３】
本発明に従う光学的要素２８は両眼用または立体的ヘッドアップ表示システムにも使用できることが注目される。さらに、ユーザからの仮想画像の距離は、光学的要素２８の代わりにディスプレイを移動すれば調節できる。本発明の数多くの他の変更と修正は、当業者に自明のように、前述の考案を鑑みて可能である。従って、添付の特許請求の範囲内で、発明は前述の内容以外にも実施できることが理解される。
【００５４】
次に示すのは特許請求の範囲と特許証によって保証される内容である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】側面から見た本発明のヘッドマウント表示システムの正面斜視図であり、
【図２】図１に図示されるヘッドマウント表示システムの正面図であり、
【図３】図１に図示されるフレーム・カバーとレンズ・ホルダーを示す分解斜視図であり、
【図４】図３に図示されるレンズ・ホルダーの底面斜視図であり、
【図５】図３に図示されるレンズ・ホルダーの底面図であり、
【図６】図３に図示されるフレーム・カバーの底面斜視図であり、
【図７】図１に図示されるレンズの正面図であり、
【図８Ａ】本発明に従う光学的要素の或る実施例の斜視図であり、
【図８Ｂ】図８Ａに図示される光学的要素の支持要素の斜視図であり、
【図９】図８Ｂに図示される支持要素の背面図であり、
【図１０】図９のラインＣ−Ｃに沿って見る支持要素の断面図であり、
【図１１】図９のラインＡ−Ａに沿って見る支持要素の断面図であり、
【図１２】図９のラインＢ−Ｂに沿って見る支持要素の断面図であり、
【図１３】光学的システムの光線追跡であり、
【図１４】光学的システムの焦点距離を変えるために支持要素を基準にして移動できる変更された光学的要素の斜視図であり、
【図１５】図１４に図示される光学的要素の変更された支持要素の斜視図であり、
【図１６】図１５の変更された支持要素の正面図であり、
【図１７】図１５、１６に図示される支持要素の背面断面図であり、
【図１８】図１５〜１７に図示される支持要素を取り込むように変更されたレンズの正面図であり、
【図１９】本発明に従う光学的要素の更なる実施例の断面図であり、
【図２０】本発明に従う光学的要素の更に別の実施例の断面図であり、
【図２１】本発明に従う中空の光学的要素の第１実施例の断面図であり、
【図２２】図２１に図示される光学的要素の背面図であり、反射器の一部だけ図示されており、
【図２３】本発明に従う中空の光学的要素の第２実施例の斜視図であり、
【図２４】図２３に図示される中空の光学的要素のある実施例のレンズと反射器を示す断面図であり、
【図２５】図２３に図示される中空の光学的要素の第２実施例のレンズと反射器の断面図であり、
【図２６】ラインＡ−Ａに沿って見た図２３に図示される取付物体のラインに沿って見る断面図であり、
【図２７】ラインＢ−Ｂに沿って見た図２３に図示される取付物体の断面図であり、
【図２８】鼻部ブリッジ支持要素に取り付けられた鼻部ブリッジの斜視図であり、
【図２９】図２８に図示される鼻部ブリッジと鼻部ブリッジ支持要素の側面図であり、
【図３０】図２８に図示される鼻部ブリッジの正面図であり、
【図３１】図１に図示されるヒンジの底面図であり、
【図３２】図３１のラインＡ−Ａに沿って見たヒンジの断面図であり、
【図３３】図３１のラインＢ−Ｂに沿って見たヒンジの断面図であり、
【図３４】図１に図示されるテンプルと耳ピース保持器の正面斜視図であり、
【図３５】図３４に図示されるテンプルと耳ピース保持器の平面図であり、
【図３６】図３４に図示されるテンプルと耳ピース保持器の側面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０    ヘッドマウント表示システム
１２    フレーム
２６    ディスプレイ
２８    光学的要素
Ｓ１    入り口面
Ｓ２    反射面
Ｓ３    出口面
【図１】
2007094422.tif 000003
【図２】
2007094422.tif 000004
【図３】
2007094422.tif 000005
【図４】
2007094422.tif 000006
【図５】
2007094422.tif 000007
【図６】
2007094422.tif 000008
【図７】
2007094422.tif 000009
【図８Ａ】
2007094422.tif 000010
【図８Ｂ】
2007094422.tif 000011
【図９】
2007094422.tif 000012
【図１０】
2007094422.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2007094422.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
2007094422.tif 000018
【図１６】
2007094422.tif 000019
【図１７】
2007094422.tif 000020
【図１８】
2007094422.tif 000021
【図１９】
2007094422.tif 000022
【図２０】
2007094422.tif 000023
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
2007094422.tif 000028
【図２６】
2007094422.tif 000029
【図２７】
2007094422.tif 000030
【図２８】
2007094422.tif 000031
【図２９】
2007094422.tif 000032
【図３０】
2007094422.tif 000033
【図３１】
2007094422.tif 000034
【図３２】
2007094422.tif 000035
【図３３】
2007094422.tif 000036
【図３４】
2007094422.tif 000037
【図３５】
2007094422.tif 000038
【図３６】
2007094422.tif 000039
【手続補正書】
【提出日】平成18年12月11日(2006.12.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示システムをユーザの頭に取り付けるための支持要素と、
画像を表示するために支持要素上に取り付けられたディスプレイと、
画像を前記ディスプレイから受信する入り口面と、ユーザがそれを介して画像を直接見る出口面と、前記画像を前記入り口面から前記出口面に反射する反射面と、を含む少なくとも３つの表面を備えた光学的要素であって、前記光学的要素の３つの表面は、拡大され、かつディスプレイと反射面とユーザの目によって形成される通路より実質的に長いユーザからの距離の位置に現れる前記表示された画像の仮想画像を生成するように形状設定された前記光学的要素と、を具備するヘッドマウント表示システム。
【請求項２】
前記入り口面、反射面および出口面の各々は前記表示される画像の全体的な倍率に影響するように湾曲されている、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項３】
前記反射面と出口面は球面であり、前記入り口面は円筒状である、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項４】
前記反射面は平らであり、前記出口面は球面である、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項５】
前記入り口面は球面である、請求項４に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項６】
前記仮想画像が現れるユーザからの距離を調節する手段をさらに含む、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項７】
前記距離調節手段は、前記入り口面と前記ディスプレイの間の距離を増減するために前記光学的要素を調整自在に取り付けるための手段を含む、請求項６に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項８】
前記光学的要素は、単一ブロックの材料から形成され、前記３つの表面は一対の側面間で前記のブロック上に形成され、前記側面の各々は前記出口面と一般的に平行に延びる列に並べられた複数の口径部を含み、１つの側面の各々の口径部は一対の口径部を形成するために他の側面に付随する口径部を具備しかつ前記光学的要素を前記支持要素に取り付ける部材を含み、前記取付部材はそこから延びる一対の突出部を前記入り口面と前記ディスプレイの間の距離が前記取付部材突出部によって噛み合された一対の口径部を調節することによって調節できるように前記一対の口径部の１つと噛み合うために備えている、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項９】
前記支持要素は、透明物体を含んでおり、前記光学的要素取付部材は前記透明物体に取り付けられている、請求項８に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項１０】
前記透明物体は、一般的に水平に延びるスロットを含んでおり、前記取付部材は、前記ミラーの位置が異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために移動できる前記スロットに沿う運動のために前記スロットと噛み合っている、請求項９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項１１】
異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために、前記光学的要素を前記支持要素に調整自在に取り付ける手段をさらに含む、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項１２】
前記入り口面は環状である、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項１３】
前記光学的要素は固体ブロック材料から形成されている、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項１４】
前記固体ブロックの材料はＰＭＭＡである、請求項１３に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項１５】
前記光学的要素はアクロマートを形成するために少なくとも２つの異なる材料の固体要素である、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項１６】
前記光学的要素は、出口面と入り口面の少なくとも１つが、反射面が形成されている第２の材料と異なる第１の材料から形成されるように、少なくとも２つの異なる材料の固体要素である、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項１７】
前記第１と第２の材料は前記固体要素を形成するために互いに接着されている、請求項５に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項１８】
前記光学的要素は中空である、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項１９】
前記光学的要素は、前記入り口面が形成されている入り口レンズと、前記出口面が形成されている出口レンズと、前記反射面が形成されている反射器と、前記入り口面レンズと出口レンズと反射器が中空の光学的要素を形成するために各々取り付けられている取付部材を含んでいる、請求項１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項２０】
表示システムをユーザのヘッド上に取り付けるための支持要素と、
画像を表示するために支持要素上に取り付けられたディスプレイと、
画像をディスプレイから受信する円筒状の入り口面と、ユーザがそれを介して画像を直接見る球面の出口面と、前記画像を前記入り口面から前記出口面に反射する球面の反射面を含めた少なくとも３つの表面を備えた固体ブロックの光学的要素であって、前記光学的要素の３つの表面は、拡大され、かつディスプレイと反射面とユーザの目によって形成される通路より実質的に長いユーザからの距離の位置に現れる、前記表示された画像の仮想画像を生成するように形状設定された固体ブロックの光学的要素を具備する、ヘッドマウント表示システム。
【請求項２１】
前記仮想画像がユーザから現れる距離を調節する手段を更に含んでいる、請求項２０に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項２２】
前記距離調節手段は、前記入り口面と前記ディスプレイの間の距離を増減するために前記光学的要素を調整自在に取り付ける手段を含む、請求項２１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項２３】
前記光学的要素は単一ブロックの材料から形成され、前記３つの表面は一対の側面間で前記ブロック上に形成され、前記側面の各々は前記出口面と一般的に平行に延びる列に並べられた複数の口径部を含み、１つの側面の口径部の各々は一対の口径部を形成するために他の側面に付随する口径部を具備しかつ前記光学的要素を前記支持要素に取り付ける部材を含み、前記取付部材はそこから延びる一対の突出部を前記入り口面と前記ディスプレイの間の距離が前記取付部材突出部によって噛み合された一対の口径部を調節することによって調節できるように前記一対の前記口径部の１つと噛み合うために備えている、請求項２０に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項２４】
前記支持要素は透明物体を含み、前記光学的要素取付部材は前記透明物体に取り付けられている、請求項２３に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項２５】
前記透明物体は一般的に水平に延びるスロットを含み、前記取付部材は前記ミラーの位置が異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために移動できる前記スロットに沿う運動のために前記スロットと噛み合っている、請求項２４に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項２６】
異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために、前記光学的要素を前記支持要素に調整自在に取り付ける手段をさらに含む、請求項２０に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項２７】
前記光学的要素はアクロマートを形成するために少なくとも２つの異なる材料の固体要素である、請求項２０に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項２８】
前記光学的要素は、出口面と入り口面の少なくとも１つが反射面が形成されている第２の材料と異なる第１の材料から形成されるように、少なくとも２つの異なる材料の固体要素である、請求項２０に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項２９】
表示システムをユーザのヘッド上に取り付けるための支持要素と、
画像を表示するために支持要素上に取り付けられたディスプレイと、
画像をディスプレイから受信する円筒状の入り口面と、ユーザがそれを介して画像を直接見る球面の出口面と、前記画像を前記入り口面から前記出口面に反射する平らな反射面を含めた少なくとも３つの表面を備えた固体ブロックの光学的要素であって、前記光学的要素の３つの表面は、拡大され、かつディスプレイと反射面とユーザの目によって形成される通路より実質的に長いユーザからの距離の位置に現れる、前記表示された画像の仮想画像を生成するように形状設定された、前記固体ブロックの光学的要素を具備する、ヘッドマウント表示システム。
【請求項３０】
前記入り口面は球面である、請求項２９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項３１】
前記入り口面は環状である、請求項２９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項３２】
前記仮想画像が現れるユーザからの距離を調節する手段をさらに含む、請求項２９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項３３】
前記距離調節手段は、前記入り口面と前記ディスプレイとの間の距離を増減するために前記光学的要素を調整自在に取り付ける手段を含んでいる、請求項３２に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項３４】
前記光学的要素は、単一ブロックの材料から形成され、前記３つの表面は一対の側面間で前記ブロック上に形成され、前記側面の各々は前記出口面と一般的に平行に延びる列に並べられた複数の口径部を含み、１つの側面の口径部の各々は一対の口径部を形成するために他の側面に付随する口径部を具備しかつ前記光学的要素を前記支持要素に取り付ける部材を含み、前記取付部材はそこから延長するペアの突出部を前記入り口面と前記ディスプレイとの間の距離が前記取付部材突出部によって噛み合された一対の口径部を調節することによって調節できるように前記一対の前記口径部の１つと噛み合うために備えている、請求項２９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項３５】
前記支持要素は、透明物体を含み前記光学的要素取付部材は前記透明物体に取り付けられている、請求項３４に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項３６】
前記透明物体は、一般的に水平に延びるスロットを含み、前記取付部材は前記ミラーの位置が異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために移動できる前記スロットに沿う運動のために前記スロットと噛み合っている、請求項３５に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項３７】
異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために、前記光学的要素を前記支持要素に調整自在に取り付ける手段をさらに含む、請求項２９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項３８】
前記光学的要素はアクロマートを形成するために少なくとも２つの異なる材料の固体要素である、請求項２９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項３９】
前記光学的要素は、出口面と入り口面の少なくとも１つが、反射面が形成されている第２の材料と異なる第１の材料から形成されるように、少なくとも２つの異なる材料の固体要素である、請求項２９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項４０】
表示システムをユーザのヘッド上に取り付けるための支持要素と、
画像を表示するために支持要素上に取り付けられたディスプレイと、
画像をディスプレイから受信する入り口面と、ユーザがそれを介して画像を直接見る球面の出口面と、前記画像を前記入り口面から前記出口面に反射する平らな反射面を含めた少なくとも３つの表面を備えた中空の光学的要素であって、前記光学的要素の３つの表面は、拡大され、かつディスプレイと反射面とユーザの目によって形成される通路より実質的に長いユーザからの距離の位置に現れる前記表示された画像の仮想画像を生成するように形状設定されている前記中空の光学的要素を具備する、ヘッドマウント表示システム。
【請求項４１】
前記仮想画像が現れるユーザからの距離を調節する手段をさらに含んでいる、請求項４０に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項４２】
前記距離調節手段は、前記入り口面と前記ディスプレイの間の距離を増減するために前記の光学的要素を調整自在に取り付ける手段を含む、請求項４１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項４３】
前記入り口面は円筒状である、請求項４０に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項４４】
前記入り口面は環状である、請求項４３に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項４５】
前記透明物体は、一般的に水平に延びるスロットを含んでいて、前記取付部材は前記ミラーの位置が異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために移動できる前記スロットに沿う運動のために前記スロットと噛み合っている、請求項４４に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項４６】
異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために、前記光学的要素を前記支持要素に調整自在に取り付ける手段をさらに含んでいる、請求項４０に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項４７】
前記光学的要素は、前記入り口面が形成されている入り口レンズと、前記出口面が形成されている出口レンズと、前記反射面が形成されている反射板と、前記入り口レンズと出口レンズと反射板が中空の光学的要素を形成するために各々取り付けられている取付部材を含んでいる、請求項４０に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項４８】
表示システムをユーザのヘッド上に取り付けるための支持要素と、
画像を表示するために支持要素上に取り付けられたディスプレイと、
画像をディスプレイから受信する入り口面と、ユーザがそれを介して画像を直接見る球面の出口面と、前記画像を前記入り口面から前記出口面に反射する平らな反射面を含めた少なくとも３つの表面を備えた中空の光学的要素であって、前記光学的要素の３つの表面は、拡大され、かつディスプレイと反射面とユーザの目によって形成される通路より実質的に長いユーザからの距離の位置に現れる、前記表示された画像の仮想画像を生成するように形状設定されていて、そこでは認識可能な歪みが１％未満である、前記中空の光学的要素を具備する、ヘッドマウント表示システム。
【請求項４９】
前記入り口面は球面である、請求項４８に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項５０】
前記入り口面は平らである、請求項４８に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項５１】
前記仮想画像が現れるユーザからの距離を調節する手段をさらに含んでいる、請求項４８に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項５２】
前記距離調節手段は、前記入り口面と前記ディスプレイの間の距離を増減するために前記光学的要素を調整自在に取り付ける手段を含んでいる、請求項５１に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項５３】
前記入り口面は環状である、請求項４８に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項５４】
異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために、前記光学的要素を前記支持要素に調整自在に取り付ける手段をさらに含んでいる、請求項４８に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項５５】
前記支持要素は、一般的に水平に延びるスロットを具備する透明物体を含んでいて、前記取付部材は前記ミラーの位置が異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために移動できる前記スロットに沿う運動のために前記スロットと噛み合っている、請求項５４に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項５６】
前記入り口面は環状である、請求項４８に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項５７】
表示システムをユーザのヘッド上に取り付けるための支持要素と、
ビデオ画像を表示するために支持要素上に取り付けられたビデオ・ディスプレイと、
ビデオ画像を前記ディスプレイから受信する入り口面と、ユーザがビデオ画像をそこを介して直接見る出口面と、前記ビデオ画像を前記入り口面から前記出口面に反射する反射面を含めた少なくとも３つの表面を備えた光学的要素と、
前記ディスプレイと入り口面の間の距離がユーザによって調節されることを可能にするために、調整自在に前記光学的要素を前記支持要素に取り付ける手段を具備する、ヘッドマウント表示システム。
【請求項５８】
表示システムをユーザのヘッド上に取り付けるための支持要素と、
ビデオ画像を表示するために支持要素上に取り付けられたビデオ・ディスプレイと、
ビデオ画像を前記ディスプレイから受信する入り口面と、ユーザがビデオ画像をそこを介して直接見る出口面と、前記ビデオ画像を前記入り口面から前記出口面に反射する反射面を含めた少なくとも３つの表面を備えた光学的要素と、
前記光学的要素が異なる瞳孔間距離をもつユーザを対象にするために一般的に水平に移動されることを可能にするために、調整自在に前記光学的要素を前記支持要素に取り付ける手段を具備する、ヘッドマウント表示システム。
【請求項５９】
表示システムをユーザのヘッド上に取り付けるための支持要素と、
ビデオ画像を表示するために支持要素上に取り付けられたビデオ・ディスプレイと、
ビデオ画像をディスプレイから受信する入り口面と、ユーザがビデオ画像をそこを介して直接見る出口面と、前記ビデオ画像を前記入り口面から前記出口面に反射する球面の反射面を含めた少なくとも３つの表面を備えた固体の光学的要素であって、前記光学的要素は少なくとも第１の材料と第２の材料から形成され少なくとも１つの前記表面は前記第１の材料上に形成されかつ別の前記表面は前記第２の材料上に形成されそこでは前記第１と第２の材料はアクロマートを形成する前記固体の光学的要素を具備する、前記ヘッドマウント表示システム。
【請求項６０】
前記入り口面と反射面は前記第１の材料上に形成され、前記出口面は前記第２の材料上に形成されている、請求項５９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項６１】
前記第１の材料はポリスチレンであり、前記第２の材料はＰＭＭＡである、請求項５９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項６２】
前記入り口面と出口面は前記第１の材料上に形成され、前記反射面は前記の第２表面上に形成されている、請求項５９に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項６３】
前記第１の材料はＰＭＭＡであり、前記第２の材料はポリスチレンである、請求項６２に記載のヘッドマウント表示システム。
【請求項６４】
表示システムをユーザのヘッド上に取り付けるための支持要素と、
画像を表示するために支持要素上に取り付けられたディスプレイと、
画像を前記のディスプレイから受信する入り口面と、ユーザが画像をそこを介して直接見る出口面と、前記画像を前記入り口面から前記出口面に反射する反射面を含めた少なくとも３つの表面を備えた光学的要素であって、前記光学的要素の３つの表面は拡大されかつディスプレイと反射面とユーザの目によって形成される通路より実質的に長いユーザからの距離の位置に現れる前記表示された画像の仮想画像を生成するように形状設定されていて、そこでは正常眼の網膜の画像が２８ミクロン未満である横方向の軸の色収差を備えている前記の光学的要素を具備する、ヘッドマウント表示システム。
【請求項６５】
前記収差は１４ミクロン未満である、請求項６４に記載のヘッドマウント表示システム。